铝合金的疲劳性能与裂纹扩展行为

第３１卷第１１期

２００７年１１月

机械工程材料

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２Ｅ１２铝合金的疲劳性能与裂纹扩展行为

刘岗１，郑子樵１。杨守杰２，戴圣龙２，李世晨１

（１．中南大学材料科学与工程学院，湖南长沙４ｌ００８３；２．北京航空材料研究院，北京ｌｏ００９５）摘要：研究了２Ｅ１２合金在不同应力水平下的疲劳性能厦疲劳裂纹扩展速率，采用透射电镜和扫描电镜观察了该舍金的微观组织和断口形貌特征。结果表明：高纯２Ｅ１２合垒具有良好的耐损伤疲劳性能．当应力比Ｒ＝Ｏ．１时，疲劳强度Ｊ＝１７２ＭＰａ，Ｒ一０．５时的疲劳强度ｄ＝２８０ＭＰａ，比

Ｒ＝Ｏ．１时提高了６０％，缺口的存在降低了疲劳强度。Ｒ＝Ｏ．１，△Ｋ；３０ＭＰａ・ｍｌ／２时，如／ｄＮ约为２．７×１０１ｍｒｎ／周，比国产２０２４合金裂纹扩展速率（６．５×１０“ｒｎｍ／周）低６０％左右。２Ｅ１２合金疲劳断口由裂纹源区、裂纹扩展区及瞬断区三部分组成，裂纹萌生一般位于试样表面应力集中处

或不同类型的缺陷部位。

关键词：２Ｅ１２铝舍金；疲劳寿命；疲劳裂纹扩展速率

中图分类号：ＴＵ５１２．４，ＴＧｌｌ５．５

文献标识码：Ａ

文章编号：ｌＯｏｏ－３７３８（２００７）１１—００６５加４

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Ｋｅｙ咖ｒｄｓ：２Ｅ１２ＡＩａ１１０ｙ；ｆａｔ逗Ⅳｅｈｆｅ；ｆａｔｉｇｕｅ

０引言

２Ｅ１２铝合金是高纯的铝一铜－镁系合金，和２０２４

合金相比，具有更加良好的室温力学性能及优良的断裂韧性与抗疲劳性能，该合金首先在波音７７７飞机上获得应用“＿３Ｊ，最近又应用于Ａ３８０大型客机，

能的飞机蒙皮材料具有重要的经济和社会意义。目前，２Ｅ１２合金的工业化应用研究已在国内开展，但有关该合金疲劳性能与裂纹行为方面的研究工作在

国内尚未见报道，为此作者通过研究其组织和疲劳

性能的关系，研究了该合金的在不同应力水平下的疲劳强度与裂纹扩展速率以及对疲劳断口进行扫描分析，从而获得２Ｅ１２铝合金的耐疲劳损伤性能。

被认为是目前最理想的飞机蒙皮材料。随着我国航

空事业的迅速发展，开发并研制出具有优良使用性

收稿日期：２００７－０２＿０５｛修订日期：２００７＿０５—２９

基金项目：国家“９７３。重点基础研究发展规划资助项目

（２００５ＣＢ６２３７０５）

ｌ试样制备与试验方法

试验用合金的成分（质量分数／％）为４．Ｏｃｕ，

１．４Ｍｇ，０．６Ｍｎ，Ｏ．０６Ｆｅ，Ｏ．０６Ｓｉ，０．０４Ｚｎ，０．０２Ｔｉ，

作者简介：刘岗（１９８２一），男，山西大同人，硕士研究生．导师：郑子樵教授

ｏ．００４ｃｒ，余ＡＬ由东北轻合金（有限）责任公司生

产的工业规格铸锭在４９０℃下进行２４ｈ均匀化处

・６５・

刘岗，等：２Ｅ１２铝合金的疲劳性能与裂纹扩展行为

理后。参照２０２４台金的轧制工艺，得到２．２ｍｍ的

板材，在５００℃固溶水淬后，压光矫直至２．ｏｍｍ，然后自然时效９６ｈ以上。疲劳试验在ＪＸｐｌｏｏ型试验机上进行，试样采用光滑、缺口试样，沿轧向切取，参照ＧＢ３０７５—１９８２进行试样的加工，应力比Ｒ分别取Ｏ．１和ｏ．５，Ｋ，为理论应力集中系数，试验频率为１１０～１２０Ｈｚ；疲劳裂纹扩展试验按照ＧＢ／

Ｔ

６３９８—２０００《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方

法》进行，试验频率为１０Ｈｚ，疲劳裂纹扩展速率出／ｄＮ为载荷循环一次的疲劳裂纹扩展量，试验条件均为室温、大气环境。用ＫＹＫＹ一２８００型扫描电镜（ＳＥＭ）进行断口分析，并对断口上的第二相粒子进行能谱分析（ＥＤＳ）。用ＴｅｃｎａｉＧ２２０型透射电镜（ＴＥＭ）观察显微组织，加速电压为２００ｋＶ。ＴＥＭ薄膜试样先机械减薄至Ｏ．１ｍｍ左右，再在ＭＴ－ＰＩ型双喷电解减薄仪上进行双喷，双喷时采用的电压为１５～２０ｖ，工作电流控制在８０ｔｎＡ左右，用液氮冷却至一２５℃以下，双喷液采用２５％硝酸＋７５％甲

圉ｌ

２Ｅ１２台盒的删形貌

（ｂ）晶界

醇（体积分数）混合溶液，所有ＴＥＭ试样在穿孔后

Ｆ碡ｌ

１ＥＭ缸ｍ咎ｏｆ旭１２蚰时

都用９９．７％的无水乙醇清洗１

ｌＩＩｉｎ。

２试验结果与分析

２．１显微组织

由图１可见，该合金晶内分布着大量尺寸Ｏ．１

ｍ

７∞

哪

～ｏ．５“ｍ的棒状粒子（Ｉ）以及少量圆形粒子（Ⅱ）。．

图２表明，这些棒状粒子为ＡｋＣｕ２Ｍｎ３分散相【４］，ｍ船㈨

恐；ｌ

Ｖ

Ｉ

而圆形粒子为富铁相粒子。从铝一铜一镁合金的脱溶

机制来看，淬火后自然时效过程中，合金中的镁原子

和铜原子将在基体中沿＜１００＞方向富集，形成极细小的ＧＰＢ区，由于其在基体上产生的应变小，因而很难观测到它的衍衬相。

２．２应力疲劳强度及断口形貌

结合能／ｂｖ由图３、图４可见，两种应力比条件下，曲线变（ｂｌ粒子Ｉ

化趋势基本相同，在高应力和中等应力条件下，曲线围２

２Ｅ１２台金粒子的ＥＤｓ谱Ｆ培Ｚ

１ｌ＿ｅＥＤＳｏｆ２Ｅ１２蛆１０ｙ弹ｒ廿ｄｅ

下降速度较快，而在低应力水平下。曲线渐趋平缓。Ｒ为ｏ．１时，合金的疲劳强度为１７２ＭＰａ；而当Ｒ为

加工状态及微观缺陷以及表面粗大第二相有着密切ｏ．５时，疲劳强度为２８０ＭＰａ，比Ｒ为ｏ．１条件下的

的关系。观察不同条件下合金试样的疲劳断口发现疲劳强度提高６０％左右，说明应力比对疲劳强度有一个试样往往有多个疲劳裂纹源。当存在许多缺陷。着显著影响。由图４可见缺口的存在大大降低了疲

特别是在高载荷下或具有高的应力集中时，也很容劳强度，Ｋｔ＝３时的疲劳强度约为Ｋ＝ｌ时的一半。

易产生裂纹源口】。图５ｂ为疲劳裂纹源区Ｉ的放大图５ａ表明２Ｅ１２合金的应力疲劳断口主要由３图，表明裂纹源来自于试样表面（图５ｂ中箭头所个典型区域”１组成：疲劳裂纹源区Ｉ、裂纹扩展区示），可以看出裂纹从左下端以扇形状扩展，并在裂（稳定扩展区Ⅱ和快速扩展区Ⅲ）及瞬裂区。疲劳源

纹源和起裂区出现小平台和撕裂棱，这些地方应力主要集中在试样的表面，其形成的位置与试样表面

集中较严重。图５ｃ为稳定扩展区Ⅱ的放大图，出现

・６６・

刘岗，等：２Ｅ１２铝合金的疲劳性能与裂纹扩展行为

之

苫

奄

疲劳周次／周ａ）冀＿０．１．Ｋ蕾ｌ

芒＝＼ｂ

疲劳周攻／周（ｂ）置苇仉５，五；ｌ田３光滑逮样的疲劳寿命曲线Ｆ唾３

ｂＨｇ雌ｌ珏ｅ蝴眦Ｄｆｍｌ呷

２８０

芒２００

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ｂ

１２０４０

疲劳周扶／周

苫

ｂ

疲劳周次／周

（ｂ）Ｒ＝玑５．噩・３田４缺口试样的疲劳寿命曲线

啦４砌辨Ⅱｆｅ∞ｍ０ｆｌ呦印鲥ｍｍ

典型的疲劳条纹，形状随着应力和裂纹扩展速率而改变。图５ｄ为瞬裂区的放大图，此时的疲劳断口具有静拉伸的断口特征，主要是由破碎的颗粒和大量不同尺寸、形状的孔洞和韧窝以及撕裂棱组成，呈现

出韧性断裂的特点。通过对韧窝内大量的第二相粒子进行ＥＤｓ分析，发现大部分为ＡｌｃｕＭｇ化合物

（图５ｅ），而有微量的Ａ１ＣｕＭｎ化合物（图５ｆ）。２．３疲劳裂纹扩展速率及断口形貌

由图６可见，在Ｒ为ｏ．１的条件下，合金的疲劳裂纹扩展速率曲线呈现明显的三阶段特征，△Ｋ在７

ＭＰａ・ｍ１”以下，出／州小于１０５

ＩＴⅡｎ・周一，处于微

观裂纹扩展阶段，为裂纹扩展第１阶段；△Ｋ在７～３０ＭＰａ・ｍ１“之间时，基本呈线性关系，处于宏观裂纹稳

（ｄｌ瞬时断裂阶段

８

１．００３．００５００ｌ４０３４０５４０

能量，虹ｖ能量，ｋｅｖ

｛ｅ）粒子一的Ⅱｓ谱

（ｆ）粒子二的Ⅱｓ谱

圈５

２Ｅ１２台盒ｆ墨号１。詹＝ｍ５。Ｎ皇‰３ｘｌｏ｜周】疲劳断口形貌

Ｆ嘻５

ｍ鼬晰ｍ∞ｐｅａｍｎｄ２Ｅ１２嘶

（噩；１。Ｒ＝仉５．Ⅳ＝ｓ．３×ｌ旷ｄｒｄｅ）

－６７・

刘岗，等：２Ｅ１２铝合金的疲劳性能与裂纹扩展行为

态扩展阶段，为裂纹扩展第Ⅱ阶段；△Ｋ为３０ＭＰａ・ｍ１”时，裂纹进入第ｍ阶段的临界值，此时ｄ√ｄＮ约

为２．７×１０＿３啪・周～。当△Ｋ大于３０ＭＰａ・ｍ１／２

暑侉Ｉ×ｌｏ。‘

器；．。．。．。．以后，扩展速率加快，处于瞬时断裂阶段，为裂纹扩展

７

／．～

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２０

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△Ｘ／ＭＰａｍｔｎ的第Ⅲ阶段。相比国产２０２４合金疲劳裂纹扩展速率

【ａ】

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（Ｒ为０．１，越为３０ＭＰａ・ｍ１”时，出／矾约为６．５×

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ｌ×１０－’１０－３

孚

ｍｍ・周＿１），２Ⅱ２合金要低６０％左右ｍ；而当

Ｅ

ｌ×１０一‘Ｒ为Ｏ．５时，裂纹扩展也基本呈此三阶段特征。通过善

昌睹

ｌ×１０一’对比可以看出应力比Ｒ对疲劳裂纹的稳定扩展阶段１×１０一‘（第Ⅱ阶段）影响不太，但使裂纹扩展更早地进入第珊６《／酗Ｐａｍｌ口

阶段。

ｆｂ）膏￡０．ｓ，，＝ｌｏＨｚ

由图７ａ可见，此时处于裂纹扩展第１阶段，可田６

２Ｅ１２台盒的裂纹扩展速率

以看到解理小平面或裂纹的晶体学扩展哪；图７ｂ

Ｆｊ鲁６

Ｆ毫ｔ蜒雌∞ｄ‘野ｍ啦舟耙ｏｆ２Ｂ】２蚰Ｉ叮

４）ＡＫ＿ｓ．８ｍ・ｍ１４

【ｂ】ＡＫ＝ｌＯＭＰａ・ｄ胆

【ｃ）ＡＫ＝２ｌ胁・Ⅱ．Ｉ“

（ｄ）快速断裂区

圈７瑚２舍盒ｆＲ＝ｏ．５｛瘦劳裂纹扩展瘤｝口形貌

ｎ二＇ｍｄｕｍ

４ｐｐ曙哪俚ｏｒｈ幢神啪ｃＩｃ州ｈ

０ｆ２Ｅ１２

ａＩ时（矗Ｉｏ．钉

为裂纹扩展第Ⅱ阶段的初始阶段，可以看到明显的当应力比Ｒ—ｏ．１时，疲劳强度印一１７２ＭＰａ，而当疲劳辉纹特征，疲劳辉纹的间距在２～４“ｍ，同时可Ｒ一。．５时，疲劳强度印＝２８０ＭＰａ，比Ｒ＝ｏ．１时的

见在疲劳裂纹扩展过程中出现破碎的粗大第二相颗

疲劳强度提高了６０％。缺口的存在降低了疲劳强

粒，尺寸为５～１０“ｍ，分布在疲劳辉纹上形成了孔

度，Ｋ。＝３时的疲劳强度约为Ｋ。＝１时的一半。

洞口］；图７ｃ为宏观裂纹扩展阶段的后期，即在接近

（２）２Ｅ１２铝合金的疲劳裂纹扩展分三个阶段，快速疲劳断裂的高△Ｋ值下，合金的疲劳裂纹扩展

Ｒ＝０．１，当△Ｋ在７ＭＰａ・ｍ１“以下时，为裂纹扩展速率较裂纹扩展初始阶段有了显著的提高，断口形第１阶段；当△Ｋ在７～３０ＭＰａ・ｍ１”之间时，为裂

貌除少量辉纹外，同时出现静态断裂失效模式，如解

纹扩展第Ⅱ阶段；当△Ｋ大于３０ＭＰａ・ｍ１”以后，

理、沿晶断裂等模式［１０’１“，这些附加的静态断裂模为裂纹扩展的第Ⅲ阶段。虽应力比Ｒ对疲劳裂纹式大大提高了扩展速率对微观组织结构的敏感性；

的稳定扩展阶段（第Ⅱ阶段）的影响不大，但使裂纹图７ｄ为瞬时断裂阶段，可以看到大量的韧窝内夹杂扩展更早地进入第Ⅲ阶段。

着第二相粒子，部分粒子已经破碎，呈现出韧性断裂

（３）合金疲劳断口由裂纹源区、裂纹扩展区及

的特点，快速扩展阶段的断口类似于拉伸断口形貌。瞬断区三部分组成，裂纹萌生一般位于试样表面应相比２０２４合金，２Ｅ１２合金降低了铁、硅杂质含量，

力集中处或不同类型的缺陷部位。裂纹扩展区有明

减少了粗大的脆性杂质相的产生，所以ｚＥｌ２合金显疲劳条带特征，瞬断区呈现静拉伸断口特征。

能在保证强度变化不大的情况下拥有更好的耐损伤疲劳性能。

参考文献：

３结论

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Ｊ．＾Ｊ哪啪ａｌｂｎ

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啦ｖｃｔｕｒｅ［Ｊ］．ＡｄｖａｎｃｄＭａｔｅｍｌｓ

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（１）２Ｅ１２铝合金具有良好的耐损伤疲劳性能，

２９．

｛下转第７２页）

－６８・

许春伟，等：高钒高速钢、高铬铸铁复合轧辊界面对比

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田８耐磨层面积对冲击韧度的影响

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圈７复台界面附近显搬硬度分布

（１）电磁复合铸造芯轴为４５钢的高钒高速钢和高铬铸铁复合轧辊复合界面是依靠成分扩散形成

・ＭＰａ就认为性能较好，而两者均超过了２５０ＭＰａ，的，复合界面宽度（扩散层）基本相同，约５０ｐ‰扩

因此均能满足使用要求。散层显微组织处于过渡状态。扩散层显微硬度均介

２．３．４冲击韧度

于耐磨层和芯轴之间，平缓过渡。

试验表明，复合轧辊结合区的冲击韧度与耐磨

（２）在试验条件下，与高铬铸铁相比，高钒高速

层在断面中所占比例＾有关。本试验条件下，＾≤钢复合轧辊界面硬度略低，抗剪强度和冲击韧度略５０％时，试样冲不断；＾＞５０％时，试样可冲断。在高．但两者差别不大，均能满足使用要求。

能冲断的条件下，测量高钒高速钢和高铬铸铁复合

（３）高钒高速钢与高铬铸铁复合轧辊界面冲击轧辊耐磨层在断面中所占比例＾对复合界面冲击韧韧度均随耐磨层占截面积比＾值增加而快速下降。

度的影响见图８。可见，高钒高速钢复合轧辊界面在＾≤７０％时，复合轧辊界面的冲击韧度均高于４０

的冲击韧度略高于高铬铸铁。在＾≤７０％的情况Ｊ／ｃｍｚ，可满足使用标准的要求。

下，高钒高速钢与高铬铸铁复合轧辊界面的冲击韧度均高于４０Ｊ／ｃｒｎ２，而铸钢轧辊的冲击韧度要求为参考文献：

９．８～１５Ｊ／ｃｍ２（ＧＢ１５０４—１９９１），两者均能满足使

［１］郑玉春，陈翌庆．商铬白口铸铁一灰铁双盘属复台材料的消失

用要求；＾≥７０％，则冲击韧度均急剧降低。这从一模铸造口］．特种铸造厦厦有色台金．１９９９（１），１８—２０．个侧面反映在轧辊使用过程中，如芯轴尺寸偏小，耐［２］王强．杨涤心，魏世忠，等．碳对高钒高速钢冷轧辊耐磨性的

磨层厚度偏大，将在整体上降低轧辊承受冲击载荷

影响［Ｊ］．铸造技术，２００６，２７（８）：８１２—８１７．

［３］邵抗振．魏世忠．龙锐，等．电磁复合铸遣轧辊工艺研究［Ｊ］．

的能力，使断辊出现概率增大，也即在轧辊实际生产铸造技术．２００５，２６（１０）１９５７—９６２．

中，芯轴直径不能太小，耐磨层厚度不宜过大，应妥

［４］鄂抗扳，魏世忠，龙锐，等．电磁半连续复台铸造轧辊的思路

善选择好芯轴的直径和耐磨层的厚度。与实践［Ｊ］．铸造，２００６ｔ５５（２）：１６０一１６３．

３结论

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（上接第６８页）

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６５０．

2E12铝合金的疲劳性能与裂纹扩展行为

作者：作者单位：

刘岗， 郑子樵， 杨守杰， 戴圣龙， 李世晨， LIU Gang， ZHENG Zi-qiao， YANG Shou-jie ， DAI Sheng-long， LI Shi-chen

刘岗,郑子樵,李世晨,LIU Gang,ZHENG Zi-qiao,LI Shi-chen(中南大学材料科学与工程学院,湖南,长沙,410083)， 杨守杰,戴圣龙,YANG Shou-jie,DAI Sheng-long(北京航空材料研究院,北京,100095)

机械工程材料

MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING2007,31(11)14次

刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

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4. 韩剑. 戴起勋. 赵玉涛. 李桂荣. HAN Jian. DAI Qi-xun. ZHAO Yu-tao. LI Gui-rong 7075-T651铝合金疲劳特性研究[期刊论文]-航空材料学报2010,30(4)

5. 蹇海根. 姜锋. 文康. 黄宏锋. 韦莉莉. 蒋龙. JIAN Hai-gen. JIANG Feng. WEN Kang. HUANG Hong-feng. WEI Li-li. JIANG Long 不同应力下7B04铝合金的疲劳断口[期刊论文]-中南大学学报（自然科学版）2010,41(1)

6. 李海. 郑子樵. 魏修宇. 王芝秀. LI Hai. ZHENG Zi-qiao. WEI Xiu-yu. WANG Zhi-xiu 时效析出对2E12铝合金疲劳断裂行为的影响[期刊论文]-中国有色金属学报2008,18(4)

引证文献(11条)

1. 蔡彪,郑子樵,廖忠全,钟申,李世晨 航空铝合金耐疲劳损伤特征微结构研究现状[期刊论文]-材料导报 2010(17)2. 闫亮,杜凤山,戴圣龙,杨守杰 微观组织对2E12铝合金疲劳裂纹扩展的影响[期刊论文]-中国有色金属学报

2010(07)

3. YAN Liang,DU Feng-shan,DAI Sheng-long,YANG Shou-jie Effect of age condition on fatigue propertiesof 2E12 aluminum alloy[期刊论文]-中南大学学报（英文版） 2010(04)

4. 葛荣山,张永安,李志辉,王锋,朱宝宏,熊柏青 2E12和2524铝合金微观组织与疲劳裂纹扩展速率研究[期刊论文]-稀有金属 2011(04)

5. 周华,肖顺华 固溶处理对2E12铝合金显微组织和力学性能的影响[期刊论文]-铝加工 2011(03)

6. 吴私,王旭,周吉学,刘运腾,李卫红,张国福,唐守球 铝合金疲劳性能的研究进展[期刊论文]-金属世界 2013(04)7. 郑欣 退火温度对Al-4.2Cu-1.4Mg合金的微观结构和力学性能的影响[期刊论文]-金属热处理 2012(11)

8. 郑子樵,陈圆圆,钟利萍,佘玲娟,翟同广 2524-T34合金疲劳裂纹的萌生和扩展行为[期刊论文]-中国有色金属学报 2010(01)

9. 任杰克,陈志国,黄裕金,张纪帅,魏祥,方亮 新型热机械处理对2E12铝合金显微组织与性能的影响[期刊论文]-中国有色金属学报 2014(03)

10. 孙晓旭 2E12+Zr铝合金的热处理与微观组织及力学性能研究[学位论文]硕士 200811. 黄裕金 热机械处理对高耐损伤2E12铝合金微观组织及其性能的影响[学位论文]硕士 2011

引用本文格式：刘岗. 郑子樵. 杨守杰. 戴圣龙. 李世晨. LIU Gang. ZHENG Zi-qiao. YANG Shou-jie. DAI Sheng-long. LI Shi-chen 2E12铝合金的疲劳性能与裂纹扩展行为[期刊论文]-机械工程材料 2007(11)